膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料的制备方法转让专利
申请号 : CN202010861453.9
文献号 : CN111944494B
文献日 : 2021-08-31
发明人 : 吕喜风 , 赵顺 , 密建国 , 翟从雯 , 曹林芳 , 陈浩东 , 魏展鹏
申请人 : 塔里木大学
摘要 :
权利要求 :
1.膨胀蛭石‑石蜡‑PAM定形相变储能材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:(1)石蜡/PAM乳液的制备;
(1‑1)称取聚合单体,交联剂,助乳化剂以及水包油型乳化剂放入圆底烧瓶中,将去离子水加入圆底烧瓶;将圆底烧瓶置入超声清洗仪中超声,直至其中溶质完全溶解,将制备好的水溶液作为水相备用;再称取石蜡置于烧杯中,使其烘箱中熔融,作为油相备用;所述聚合单体为丙烯酰胺,所述交联剂为N,N’‑亚甲基双丙烯酰胺,所述助乳化剂为聚乙烯吡咯烷酮,所述水包油型乳化剂为吐温85;
(1‑2)将溶解好的油相逐渐滴入制备好的水相中,得到水包石蜡乳液;
(2)膨胀蛭石添加到石蜡/PAM乳液中,得到膨胀蛭石‑石蜡‑PAM定形相变储能材料;
(2‑1)膨胀蛭石加入到搅拌中的水包石蜡乳液,使膨胀蛭石均匀的分散在水包石蜡乳液之中;然后加入氧化剂过硫酸铵;
(2‑2)分散均匀后,将乳液倒入烧杯中,滴入还原剂N,N,N’,N’‑四甲基乙二胺,快速搅拌均匀后,将烧杯封口放入烘箱中,使丙烯酰胺在过硫酸铵与N,N,N’,N’‑四甲基乙二胺的作用下聚合,得到固化好的产物;
(2‑3)将产物冷冻干燥后置于滤纸上放入烘箱中,使产物中多余的石蜡流出,得到膨胀蛭石‑石蜡‑PAM定形相变储能材料。
2.根据权利要求1所述的膨胀蛭石‑石蜡‑PAM定形相变储能材料的制备方法,其特征在于,在步骤(1)中:
(1‑1)称取1.2‑2.4g丙烯酰胺,0.4g的N,N’‑亚甲基双丙烯酰胺,0.1g聚乙烯吡咯烷酮以及0.1‑0.4g吐温85放入100mL圆底烧瓶中,将5mL去离子水加入圆底烧瓶;将圆底烧瓶置入超声清洗仪中超声,直至其中溶质完全溶解,将制备好的水溶液作为水相备用;再称取6‑
10g石蜡置于50mL烧杯中,使其在45℃烘箱中熔融,作为油相备用;
(1‑2)在45℃、1000r/min条件下,将溶解好的油相逐渐滴入制备好的水相中,得到水包石蜡乳液;石蜡滴加完成后,保持45℃、1000r/min搅拌10min,使乳液更加均匀和稳定。
3.根据权利要求1所述的膨胀蛭石‑石蜡‑PAM定形相变储能材料的制备方法,其特征在于,在步骤(2)中:
(2‑1)将0‑0.75g膨胀蛭石加入到搅拌中的水包石蜡乳液,使膨胀蛭石均匀的分散在水包石蜡乳液之中,加完后继续搅拌3min;然后加入0.03g过硫酸铵;
(2‑2)分散均匀后,将乳液倒入50mL烧杯中,滴入3滴N,N,N’,N’‑四甲基乙二胺,快速搅拌均匀后,将烧杯封口放入45℃烘箱中,使丙烯酰胺在过硫酸铵与N,N,N’,N’‑四甲基乙二胺的作用下聚合,反应时间为5min,得到固化好的产物;
(2‑3)将产物冷冻干燥后置于滤纸上放入45℃烘箱中,使产物中多余的石蜡流出,得到膨胀蛭石‑石蜡‑PAM定形相变储能材料。
4.根据权利要求1‑3任一所述的膨胀蛭石‑石蜡‑PAM定形相变储能材料的制备方法,其特征在于,膨胀蛭石的尺寸分布为16.07‑83.59μm,平均粒径为36.61μm;膨胀蛭石的层间距分布在0.12‑2.36μm,平均层间距为0.60μm。
5.根据权利要求1所述的膨胀蛭石‑石蜡‑PAM定形相变储能材料的制备方法,其特征在于,
(1‑1)称取2.0g丙烯酰胺,0.4g的N,N’‑亚甲基双丙烯酰胺,0.1g聚乙烯吡咯烷酮以及
0.3g吐温85放入100mL圆底烧瓶中,将5mL去离子水加入圆底烧瓶;将圆底烧瓶置入超声清洗仪中超声,直至其中溶质完全溶解,将制备好的水溶液作为水相备用;再称取9g石蜡置于
50mL烧杯中,使其在45℃烘箱中熔融,作为油相备用;
(1‑2)在45℃、1000r/min条件下,将溶解好的油相逐渐滴入制备好的水相中,得到水包石蜡乳液;石蜡滴加完成后,保持45℃、1000r/min搅拌10min,使乳液更加均匀和稳定;
(2‑1)将0‑0.75g膨胀蛭石加入到搅拌中的水包石蜡乳液,使膨胀蛭石均匀的分散在水包石蜡乳液之中,加完后继续搅拌3min;然后加入0.03g过硫酸铵;
(2‑2)分散均匀后,将乳液倒入50mL烧杯中,滴入3滴N,N,N’,N’‑四甲基乙二胺,快速搅拌均匀后,将烧杯封口放入45℃烘箱中,使丙烯酰胺在过硫酸铵与N,N,N’,N’‑四甲基乙二胺的作用下聚合,反应时间为5min,得到固化好的产物;
(2‑3)将产物冷冻干燥后置于滤纸上放入45℃烘箱中,使产物中多余的石蜡流出,得到膨胀蛭石‑石蜡‑PAM定形相变储能材料。
说明书 :
膨胀蛭石‑石蜡‑PAM定形相变储能材料的制备方法
技术领域
背景技术
固‑液相变材料,具有相变潜热高、相变温度较宽、性质稳定且价格较低等优点,在多个领域
均得到了广泛的应用。由于石蜡在相变过程中有液相的产生,因此通常需要利用包封材料
对其进行包封,制成定形相变材料以防止其泄露。目前,文献报道的石蜡的包封方法有微胶
囊法、共混法以及多孔材料包封法等。这些方法通常具有制备工艺复杂、反应时间长、材料
强度较低、成本过高或者石蜡包封率不高等缺点。
发明内容
备好的水溶液作为水相备用;再称取石蜡置于烧杯中,使其烘箱中熔融,作为油相备用;
型乳化剂为吐温85。
瓶置入超声清洗仪中超声,直至其中溶质完全溶解,将制备好的水溶液作为水相备用;再称
取6‑10g石蜡置于50mL烧杯中,使其在45℃烘箱中熔融,作为油相备用;
胺的作用下聚合,得到固化好的产物;
乙二胺的作用下聚合,得到固化好的产物,反应时间为5min,得到固化好的产物;
为0.60μm。
声清洗仪中超声,直至其中溶质完全溶解,将制备好的水溶液作为水相备用;再称取9g石蜡
置于50mL烧杯中,使其在45℃烘箱中熔融,作为油相备用;
乙二胺的作用下聚合,反应时间为5min,得到固化好的产物;
间通常高于氧化还原引发剂。而由于较高的温度通常会影响乳液的稳定性,导致乳液破乳,
因此实验选用了引发温度相对较低且反应速率较快的氧化还原引发体系。此外,由于丙烯
酰胺的聚合反应在水相中发生,因此所用引发剂还需要具备良好的水溶性。实验最终选用
了过硫酸铵作为氧化剂,N,N,N’,N’‑四甲基乙二胺作为还原剂引发丙烯酰胺聚合。
率。膨胀蛭石的添加有效的减少了体系石蜡的泄露,提高了石蜡/PAM定形相变材料的石蜡
包封效率。当膨胀蛭石添加量为0.50g时,石蜡的包封率达到最大,为71.05%,此时材料的
熔融焓为101.37J/g,结晶焓为94.76J/g,石蜡包封量为6.88g,石蜡的有效利用率为
76.44%。膨胀蛭石的添加有效地减少了石蜡地泄露,提高了石蜡的包封效率以及材料的循
环稳定性。
并未影响石蜡/PAM定形相变材料的热稳定性。
蛭石的样品相比,相变潜热的下降较少。因此,膨胀蛭石的添加有效地提高了石蜡/PAM定形
相变材料的循环稳定性。
种石蜡/PAM定形相变材料。由于丙烯酰胺的玻璃化温度较高,因此得到的石蜡/PAM定形相
变材料具备较高的机械强度,能够满足建筑材料的强度需求。同时,由于乳液聚合的反应速
率较快,且丙烯酰胺聚合反应的反应温度较低的缘故,石蜡/PAM定形相变材料制备过程能
耗也相对较低,这与相变储能材料节约能源的目的形成了有效的结合。实验所用石蜡的相
变温度在建筑物正常温度范围内,因此得到的石蜡/PAM定形相变材料能够适用于建筑物的
相变储能。
附图说明
具体实施方式
电子天平 FA2004 上海舜宇恒平科学仪器有限公司
超声波清洗仪 KQ5200DE 昆山市超声仪器有限公司
鼓风恒温干燥箱 DHG‑9035A 北京陆希科技有限公司
电动搅拌器 EUROSTAR 20 艾卡仪器设备有限公司
数显搅拌恒温磁力油浴锅 HWCL‑3 郑州长城科工贸有限公司
冷冻干燥机 SCIENTZ‑18N 宁波新芝生物科技股份有限公司
并根据得到的电镜图对其性质进行分析。
包覆在聚丙烯酰胺多孔材料的机体之中,最终得到石蜡/PAM定形相变材料。
中,再向其中加入5mL的去离子水。将圆底烧瓶放入超声清洗仪中超声,使溶质溶解,形成均
匀的溶液,作为水相备用。另外称取9g石蜡在45℃烘箱中熔融,作为油相备用。
中。分散均匀后,将得到的水包乳液迅速倒入50mL烧杯中,再向乳液中滴入3滴N,N,N’,N’‑
四甲基乙二胺(还原剂),快速搅拌均匀后,将烧杯封口放入45℃烘箱中,使丙烯酰胺聚合固
化。
的膨胀蛭石‑石蜡‑PAM定形相变储能材料。所得产物模型如图15所示。
一种性能良好的定形相变材料。摸索不同的聚合条件对材料石蜡包封率的影响,得到了体
系内石蜡包封率最高的产物的配方。接着,对制得石蜡/PAM定形相变材料做了SEM、FTIR、
TGA等多项表征,并根据测试结果对石蜡/PAM定形相变材料的各项性质进行了详细地研究
和讨论。
中于12.81℃和25.74℃处出现了两个结晶峰。根据文献可以得知,石蜡在固‑液相变之外还
存在着一个较低温度的固‑固相变。因此,石蜡在20.07℃与12.81℃处出现的相变峰为石蜡
的固‑固相变峰,而在34.26℃与25.74℃处出现的相变峰为石蜡的固‑液相变峰。
通常高于氧化还原引发剂。而由于较高的温度通常会影响乳液的稳定性,导致乳液破乳,因
此实验选用了引发温度相对较低且反应速率较快的氧化还原引发体系。此外,由于丙烯酰
胺的聚合反应在水相中发生,因此所用引发剂还需要具备良好的水溶性。实验最终选用了
过硫酸铵作为氧化剂,N,N,N’,N’‑四甲基乙二胺作为还原剂引发丙烯酰胺聚合,聚合反应
的反应温度为45℃,反应时间为5min。
止乳液破乳,因此最终选择在45℃(反应温度)条件下制备乳液。
为乳化剂制得的水包石蜡乳液能够在45℃条件下稳定存在5min以上。因此,吐温85能够满
足本实验的乳化需求。
率即指定形相变材料中石蜡占总质量的质量分数)的影响,并最终以此为根据讨论得到产
物的最佳配方。
0.1g、0.2g、0.3g和0.4g(即所用去离子水质量的2%、4%、6%和8%),做了四组对比实验,
并利用差示扫描量热仪对这四组样品的DSC曲线进行了测定,所得测试结果如图4所示。
0.2 86.06 82.96
0.3 97.25 91.74
0.4 91.98 82.37
纯石蜡 142.67 138.71
材料中包封的石蜡质量。因此,计算可得,不同乳化剂用量的样品的石蜡包封率和石蜡包封
量如图5所示。
径就越小,对石蜡的吸附能力也越强,使得石蜡的泄露量也越少。因此,在一定范围内,乳化
剂吐温85的量越多,石蜡/PAM定形相变材料的石蜡包封率就越高。但当乳化剂的添加量增
加到一定数量时,多孔材料的孔径过小,导致材料内孔孔壁更易破碎形成通孔,使得孔的完
整性遭到了破坏,反而增加了石蜡的泄露。此外,乳化剂用量的增加也造成了定形相变材料
中非石蜡物质质量的增加,降低了石蜡的质量分数。上述这两点原因最终导致了石蜡/PAM
定形相变材料在吐温85用量为0.4g时石蜡包封率的下降。因此,石蜡/PAM定形相变材料的
石蜡包封率随着乳化剂用量的增加呈现先增后减的趋势,且当吐温85添加量为0.3g时样品
的石蜡包封率最高。
并利用差示扫描量热仪对得到的样品进行了测定,测得的DSC曲线如下图6所示:
7 82.10 71.63
8 90.65 81.96
9 97.25 91.74
10 93.62 82.02
纯石蜡 142.67 138.71
孔材料的内相孔体积也相应增大,使其能够包封更多的石蜡,因此材料的石蜡包封率在一
定范围内随内相石蜡的增加呈逐渐增加的趋势;但与此同时,越来越多的内相使得乳液总
体积增加,多孔材料的壁也因此逐渐变薄,孔与孔之间更易出现通孔进而造成石蜡泄露,反
而导致了石蜡包封率降低,因此,石蜡的包封率随着石蜡用量的增加呈现先增后减的趋势,
且在石蜡用量为9g时达到最大。
蜡/PAM定形相变材料石蜡包封率的影响进行了探索。测得的DSC曲线如下图8所示:
1.6 88.63 83.98
2.0 97.25 91.74
2.4 94.81 86.83
纯石蜡 142.67 138.71
而减少了石蜡的泄露所导致的。然而,由于材料石蜡包封率=石蜡包封量/总质量,因此虽
然聚合单体质量为2.4g时石蜡的包封量最多,但由于此时材料总质量的增加比例大于石蜡
的增加比例,反而导致了石蜡包封率的降低,因此使得石蜡/PAM定形相变材料聚合单体质
量为2g时石蜡的包封率最高。
时材料的石蜡包封量为5.14g。该样品在20.97℃和34.28℃处出现熔融峰,在12.49℃和
26.45℃处出现结晶峰,同时熔融焓为97.25J/g,结晶焓为91.74J/g。如图10所示石蜡/PAM
定形相变材料的实物图。
的PAM多孔材料与石蜡/PAM定形相变材料进行表征,所得电镜图11a和图11b。石蜡被均匀的
包封在了PAM多孔材料的孔道之中,石蜡与包封机体结合紧密。
4000‑400cm 段红外谱图如下图12所示:
的,1658cm 处的吸收峰是由PAM中未完全打开的C=C的伸缩振动引起。石蜡的红外谱图中,
‑1 ‑1 ‑1
2916cm 、2852cm 处的吸收峰是由于石蜡上C‑H键的伸缩振动引起的,1738cm 处的吸收峰
‑1
是由所用石蜡中含有的不饱和化合物中的C=O的伸缩振动造成的,725cm 处的吸收峰是由
亚甲基的振动所导致。以上所有吸收峰均能石蜡/PAM定形相变材料的红外谱图中找出,因
此,石蜡/PAM定形相变材料将石蜡与PAM成功地结合在了一起。此外,对比可知,石蜡/PAM定
形相变材料的红外谱图中包含了石蜡与PAM的红外谱图中的所有峰,同时没有出现新的吸
收峰,因此石蜡在制备过程中并未发生化学反应,同时也没有影响丙烯酰胺的聚合。因此,
在石蜡/PAM定形相变材料中石蜡与PAM只是单纯的物理结合,相互之间并未发生化学反应,
即石蜡与PAM具备良好的化学相容性。
过程:第一段是120℃到230℃之间,这一段是石蜡的热分解过程;第二段是230‑380℃之间,
这一段的质量损失主要是PAM的热分解引起的。本文合成的相变储能材料计划用于建筑材
料相变储能领域,因而实际使用温度不会超过50℃。根据图13中的TG曲线可以看出,石蜡/
PAM定形相变材料在50℃以下没有明显的质量损失,因此,材料在使用温度范围内具备良好
的热稳定性。
可能长的使用寿命,降低更换频率和应用成本,相变储能材料应当具备良好的循环稳定性。
将材料从0℃升温至50℃,再从50℃冷却至0℃这一温度变化过程视为一次热循环,对石蜡/
PAM定形相变材料的循环稳定性进行研究和讨论。
蜡/PAM定形相变材料的熔融焓降至94.91J/g,结晶焓降至89.36J/g。相比200次热循环之
前,定形相变材料的熔融焓只降低了2.41%,结晶焓只降低了2.59%(相变潜热的下降主要
是因为石蜡/PAM定形相变材料热循环过程中石蜡的少量泄露所导致的)。因此可知,石蜡/
PAM定形相变材料在200次热循环之后相变潜热下降较少,具有良好的循环稳定性,拥有较
高的研究和应用价值。
究,得到了体系内最佳制备条件。同时,对材料进行了SEM、FT‑IR以及TGA等表征,并根据表
征结果对其性能进行了讨论和研究。所得结论如下所示:
此样品在20.97℃和34.28℃处出现熔融峰,在12.49℃和26.45℃处出现结晶峰,其熔融焓
为97.25J/g,结晶焓为91.74J/g。
能材料计划用于建筑材料相变储能领域,因而实际使用温度不会超过50℃。因此,石蜡/PAM
定形相变材料在使用温度范围内具备良好的热稳定性。
了9g石蜡,但最终石蜡/PAM定形相变材料中只包封了5.14g,大量石蜡在制备过程中泄露,
石蜡的利用效率较低。因此,仍需寻找一种可靠的方法减少定形相变材料石蜡的泄露量,提
高石蜡的利用效率。
露,提高石蜡的利用效率。
作为添加剂添加进石蜡/PAM定形相变材料的机体之中,减少石蜡在材料内部的流动,降低
石蜡的泄露量,提高石蜡的利用效率。探索了膨胀蛭石的添加量对石蜡/PAM定形相变材料
石蜡包封率的影响,得到了膨胀蛭石的最佳添加量。最后,对得到的新的定形相变材料的性
能进行了探讨和研究。结果表明:膨胀蛭石的添加有效地减少了石蜡地泄露,提高了石蜡的
包封效率以及材料的循环稳定性。
况下,改变膨胀蛭石的添加量依次为0g、0.25g、0.50g和0.75g,做四组对比实验(将四组样
品根据蛭石添加量命名为EVM‑0、EVM‑0.25、EVM‑0.50和EVM‑0.75),并对得到的样品利用扫
描电子显微镜和差示扫描量热仪进行测试,所得结果如下。
蛭石添加量的增加,膨胀蛭石的分布密度逐步上升。
相变潜热,具体数据在下表6中列出。
0.25 99.56 93.65
0.50 101.37 94.76
0.75 98.58 93.48
纯石蜡 142.67 138.71
效利用率(有效利用率=包封量/最初添加量)。造成这一结果的主要原因是:根据图11b可
知,实验制得的石蜡/PAM定形相变材料的孔径多处于2‑4μm之间,而膨胀蛭石的尺寸(平均
粒径为36.61μm)与材料的孔径相比相对较大。因此,膨胀蛭石的添加有效的阻止了石蜡的
孔间流动,进而造成了石蜡泄露量的降低。
材料的熔融焓为101.37J/g,结晶焓为94.76J/g,且在21.27℃和33.19℃处出现熔融峰,在
12.90℃和27.19℃处出现结晶峰。这一结果主要是由于膨胀蛭石的添加量从0.50g增加至
0.75g时,石蜡包封量的增加比例小于材料总质量的增加比例所导致的。
良好的石蜡包封方法。
石蜡/多孔氧化铝 66.00%
石蜡/碳酸钙微胶囊 56.60%
石蜡/蒙脱石 37.13%
石蜡/膨胀珍珠岩 58.42%
石蜡/氧化亚铜微胶囊 61.61%
石蜡/二氧化硅 60.04%
EVM‑0 68.16% 本文
EVM‑0.50 71.05% 本文
胀蛭石有效地添加进了石蜡/PAM定形相变材料的机体之中。同时,EVM‑0.50的XRD谱图与膨
胀蛭石和EVM‑0的XRD谱图相比,没有新的衍射峰的出现。由此可知,膨胀蛭石并未与石蜡和
丙烯酰胺发生反应生成新的物质,且没有影响丙烯酰胺的聚合。因此,膨胀蛭石与石蜡/PAM
定形相变材料具有良好的化学相容性。
均只有两段质量损失过程:第一段是120℃到230℃的石蜡的热分解过程,第二段是230‑380
℃之间的PAM的热分解过程。膨胀蛭石在25‑500℃范围内未发生热分解。由此可知,膨胀蛭
石的添加并未对石蜡/PAM定形相变材料的热稳定性造成影响,EVM‑0.50相比未添加膨胀蛭
石的石蜡/PAM定形相变材料仍具有良好的热稳定性。
降了1.57%;结晶焓降为93.17J/g,较循环前下降了1.68%。相比未添加膨胀蛭石的石蜡/
PAM定形相变材料(200个热循环后熔融焓下降2.41%,结晶焓下降2.59%),添加了膨胀蛭
石的样品在热循环后相变潜热下降比例较低,即循环稳定性更好。造成这一结果的原因同
样是因为膨胀蛭石的添加阻止了机体中石蜡的泄露。因此,综上可知,膨胀蛭石的添加对石
蜡/PAM定形相变材料循环稳定性的提高有利。
时材料的熔融焓为101.37J/g,结晶焓为94.76J/g,石蜡包封量为6.88g,石蜡的有效利用率
为76.44%。
并未影响石蜡/PAM定形相变材料的热稳定性。
蛭石的样品相比,相变潜热的下降较少。因此,膨胀蛭石的添加有效地提高了石蜡/PAM定形
相变材料的循环稳定性。
变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或
变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。